گذری در کوچه پس کوچه های مهندسی پزشکی

منبع : www.iranbmemag.com

نویسنده: مهندس ريحانه نقابت شيرازي

سلولهاي بنيادي (‏‎(stem Cell‏ سلول هاي اوليه اي هستند که قادر به ايجاد هر نوع سلولي در بدن هستند. اين سلول ها مي توانند تحت تأثير بعضي شرايط فيزيولوژيك يا آزمايشگاهي به سلول هايي با عملكردهاي اختصاصي مانند سلول هاي عضلاني قلب يا سلول هاي توليدكننده انسولين در پانكراس و... تبديل شوند.‏

خصوصيات سلول هاي بنيادي
سلول هاي بنيادي با ديگر انواع سلول هاي موجود در بدن متفاوت هستند. از جمله خصوصيات مشترک اين سلول ها:

1. توانايي تكثير و افزايش تعداد آنها براي مدت طولاني
stem cell‏ ها قادربه تقسيم شدن (‏dividing‏) ونوسازي خودشان براي مدت طولاني هستند. پديده اي که در سلول هاي عضلاني، خوني و يا عصبي به صورت طبيعي ديده نمي‌شود.اما سلول هاي بنيادي اين عمل را بارها و بارها انجام مي دهند. هنگامي که عمل تکثير براي مدت طولاني اتفاق مي افتد آن را ‏proliferation‏ مي نامند.
يک جمعيت آغازگر سلول بنيادي که شروع به ‏proliferation‏ مي کند مي تواند ميليون‌ها سلول را ايجاد کند، حال اگر اين سلول ها نيز به مانند سلول هاي مادري اوليه غير تخصصي (‏unspecialized‏) باشند مي گويند که اين سلول ها قادر به ‏long-term self renewal‏ هستند. ‏

2. توانايي تمايز و تبديل به سلول هاي تخصص يافته
در سال هاي اخير تحقيقات زيادي در مورد امکان تبديل سلول بنيادي مخصوص يک بافت به سلول هاي تخصصي يک بافت کاملا متفاوت انجام شده است . اين فرايند را در اصطلاح ‏plasticity‏ مي نامند. براي مثال تبديل سلول هاي بنيادي مغز استخوان به نورون ها و يا تبديل سلول هاي بنيادي کبدي به سلول هاي توليد کننده انسولين و يا تبديل سلول هاي خون ساز به سلول هاي عضله قلبي. ‏
اين سلول ها پس از دريافت پيام هاي شيميايي معين مي توانند تمايز حاصل كنند يا به‏‎ ‎سلول هاي تخصص يافته با عملكردهاي خاصي، تبديل شوند‎. ‎‏ عملكرد اين سلول ها در بدن به اين شکل است که به هنگام اختلال و بيماري، تكثير پيدا کرده و سلول‏‎ ‎هاي جديدي به بافت ارائه مي كنند كه اساس سلول هاي درماني را تشكيل مي دهد.

ناتواني كامل عضو يا از دست رفتن بافت ، يكي از مخرب ترين و پرهزينه ترين مشكلات در پزشكي است .  سالانه جراحان در‎ ‎دنيا ميليون ها عمل جراحي براي درمان بيماراني كه دچار ناتواني عضو و از دست رفتن بافت مي شوند ، انجام مي دهند.
مهندسي بافت با فراهم آوردن امكان رشد مجدد بافت به شكل طبيعي يا بازسازي و ترميم آن اميد جديدي را تداعي مي كند وامكانات تازه اي را براي درمان در دسترس بشر قرار مي دهد.‏

آغاز کار مهندسي بافت در سال 1933 بود، هنگامي كه دانشمندي به نام‏‎ ‎بيسژليك، سلول‌هاي توموري موش را در يك غشاء پليمري قرار داده و سپس آن را در شكم خوك كاشت و هيچ گونه پاسخ ايمني را مشاهده نكرد.‏
انفجار در تحقيقات و استفاده واقعي از مهندسي بافت، با نگارش مقاله‌اي توسط لانگر و وکنتي كه در شماره ماه ‏May‏ سال 1993 مجله علوم منتشر شد، آغاز شد. اين مقاله كوشش‌هاي اوليه در اين زمينه را توصيف كرد و مفهوم و پتانسيل مهندسي بافت را توضيح داد.‏
پيوند اندام و بافت راه حل هاي ناقصي هستند. زيرا توسط چند عامل محدود مي شوند. كمبود دهنده پيوند نسبت به تعداد بيماران نيازمند اندام هاي موجود موجب ناهماهنگي  مي شود ، علاوه بر اين گيرنده هاي پيوند بايد مقدار زيادي داروي سركوبگر ايمني به صورت مادام العمر، با وجود خطر بالاي عفونت ، ايجاد تمور و اثرات جانبي نامطلوب ،آنها را مصرف كنند. ‏
جانشين کردن وسايل مكانيكي يا اعضاء مصنوعي نيز به دليل خطر بالاي عفونت ، انسداد جريان خون ودوام پائين، محدود است.

منبع : www.iranbmemag.com

يكي از مهم‌ترين تركيبات بين فلزي نيتينول (‏NiTi‏) است. اين ماده مهم‌ترين تركيب از خانواده آلياژهاي هوشمند (آلياژ نيكل- تيتانيم) بوده و داراي خواص بسيار ويژه اي است كه آن را از ساير مواد حتي از ساير تركيبات بين فلزي متمايز مي‌كند. ‏NiTi‏ شامل نسبت‌هاي مساوي از نيكل و تيتانيم است و گاهي اوقات عناصر ديگري براي تنظيم خواص به آن اضافه مي‌شوند.

خواص و ويژگي‌های
NiTi
در مجموعه ويژگي‌هاي ‏NiTi‏ خواص منحصر به ‌فردي از جمله حافظه‌پذيري و سازگاري با محيط بدن به چشم مي‌خورد كه آن را از ساير مواد متمايز كرده و كاربردهاي خاصي را براي اين تركيب به همراه آورده است. به‌طور كلي مي‌توان خواص و ويژگي‌هاي ‏NiTi‏ را به صورت زير بيان كرد:‏
* سوپر الاستيسيته (حافظه مكانيكي): تغيير شكل الاستيكي محض
* حافظه حرارتي: بازيابي شكل ماده بعد از حرارت ديدن
* پلاستيسيته غيرطبيعي: قابليت خمش بالاي ماده بدون شكست يا خستگي
* سازگاري با محيط بدن: مقاومت در برابر خوردگي بالا و هم زيستي عالي با محيط بدن
* مقاومت سايشي خوب و رفتار تريبولوژي ايده‌آل‏
خواص ‏NiTi‏ به‌طور قابل ملاحظه‌اي با كار مكانيكي و در حين عمليات حرارتي قابل بهبود است. چندين پارامتر براي بهبود اين خواص عمده وجود داردكه مهمترين آنها عبارت است از: ‏
1- تركيب شيميايي
2- ميزان كار سرد
3- پارامترهاي عمليات حرارتي
خواص مكانيكي ‏NiTi‏ به حالت فازي آن در يك دماي معين بستگي دارد. ‏NiTi‏ ‌‌در دماهاي مختلف مي‌تواند به صورت مارتنزيتي يا آستنيتي حاضر شود. در هر يك از اين حالتها ‏NiTi‏ رفتار مكانيكي متفاوتي را نشان مي‌دهد. حتي مقاومت الكتريكي و قابليت جذب صدا نيز با تغيير دما تغيير مي‌كند.‏
‏ همچنين با توجه به نمودار تنش-كرنش براي اين آلياژ (شكل 2 ) نمي توان مقدار دقيقي را براي مدول يانگ آن گزارش كرد. در حقيقت چندين مدول يانگ را مي‌توان برحسب نمودار تنش-كرنش اين آلياژ به دست آورد. اما نكته مهم‌تر اين است كه هيچ كدام از اين اعداد كاربرد محاسباتي ندارند (براساس الاستيسيته خطي). علت اين امر اين است كه محدوده تغييرات تنش در نمودار تنش- كرنش بين 1 تا 8 درصد داراي مدول يانگي نزديك به صفر است و بدتر از آن، اينكه اين مقدار در هنگام بارگذاري و عدم بارگذاري متفاوت است. تنها راه براي دستيابي به يك مقدار قابل استناد از اين مشخصه (مدول يانگ) استفاده از روش‌هاي المان محدود براي انتگرال گيري از يك ويژگي هيستروزين غيرخطي پتانسيل خوردگي است. مجموعه خواص ‏NiTi‏ به‌طور خلاصه در جدول 1 آورده شده است.

اصطلاح‎ ‎قراردادي "نانوتكنولوژي" به طور معمول براي تركيبات مصنوعي استفاده مي‌شود، كه از‏‎ ‎نيمه رساناها، فلزات، پلاستيك‌ها يا شيشه ساخته شده‌اند. نانوتكنولوژي از‏‎ ‎ساختارهايي غيرآلي بهره مي‌گيرد، كه از بلورهاي بسيار ريزي در حد نانومتر تشكيل شده‌اند و كاربردهاي وسيعي در زمينه تحقيقات پزشكي، رساندن داروها به سلول ها، تشخيص‎ ‎بيماري‌ها و شايد درمان آنها پيدا كرده‌اند.
‏

بدن همه جانداران از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌،‎ ‎كه خود آنها نيز از واحدهاي ساختماني كوچك تر در حد نانومتر نظير‎ ‎پروتئين ها، ليپيدها و اسيدهاي نوكلئيك تشكيل شده‌اند. از اين رو، شايد بتوان گفت،‎ ‎كه نانوتكنولوژي به نحوي در عرصه‌هاي مختلف زيست شناسي حضور دارد. اما اصطلاح‎ ‎قراردادي "نانوتكنولوژي" به طور معمول براي تركيبات مصنوعي استفاده مي‌شود، كه از‏‎ ‎نيمه رساناها، فلزات، پلاستيك‌ها يا شيشه ساخته شده‌اند. نانوتكنولوژي از‏‎ ‎ساختارهايي غيرآلي بهره مي‌گيرد، كه از بلورهاي بسيار ريزي در حد نانومتر تشكيل شده‌اند و كاربردهاي وسيعي در زمينه تحقيقات پزشكي، رساندن داروها به سلول ها، تشخيص‎ ‎بيماري‌ها و شايد درمان آنها پيدا كرده‌اند.‏
مي‌توان با بهره گيري از نانوتكنولوژي وسايل آزمايشگاهي جديدي ساخت و از آنها در كشف‏‎ ‎داروهاي جديد و تشخيص ژن‌هاي فعال تحت شرايط گوناگون در سلول ها، استفاده كرد. به‎ ‎علاوه، نانوابزارها مي‌توانند در تشخيص سريع بيماري‌ها و نقص‌هاي ژنتيكي نقش ايفا
نند.‏

تشخیص بیماری با نانوذرات مغناطیسی

محققان در تلاش هستند، تا از ذرات مغناطيسي در‏‎ ‎مقياس نانو براي تشخيص عوامل بيماري زا استفاده كنند. روش اين محققان نيز مانند‎ ‎بسياري از مهارت هايي كه امروزه به كار مي‌روند، به آنتي بادي‌هاي مناسبي نياز دارد،‎ ‎كه به اين عوامل متصل مي‌شوند. ذرات مغناطيسي مانند برچسب به مولكول‌هاي آنتي بادي‎ ‎متصل مي‌شوند. اگر در يك نمونه، عامل بيماري زاي خاصي مانند ويروس مولد ايدز مد نظر‎ ‎باشد، آنتي بادي‌هاي ويژه اين ويروس كه خود به ذرات مغناطيسي متصل هستند، به آنها مي‌چسبند. براي جدا كردن آنتي بادي‌هاي متصل نشده، نمونه را شست وشو مي‌دهند. اگر‎ ‎ويروس ايدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطيسي آنتي بادي‌هاي متصل شده به‎ ‎ويروس، ميدان‌هاي مغناطيسي توليد مي‌كنند، كه توسط دستگاه حساسي تشخيص داده مي‌شود. حساسيت اين مهارت آزمايشگاهي از روش‌هاي استاندارد موجود بهتر است و به زودي‎ ‎اصلاحات پيش بيني شده، حساسيت را تا چند صد برابر تقويت خواهد كرد.

تله مديسين مرز جديد پزشكي

در مجاورت محلول سديم هيدروكسيد غليظ و گرما گروه‌هاي استيل آمينو كيتين(ACNH-) به عاملهاي آميني (-NH2) تبديل مي‌شوند. به اين طريق مي‌توان گفت از فرم دي استيله شده كيتين،تركيبات مختلف كيتوسان را تهيه مي‌شود.
منابع توليد كننده كيتين و كيتوسان عبارتند از: ميگو، خرچنگ، لابستر، كريل، صدفهاي دو كفه اي، ماهي مركب، اسكوئيد،كلم، مرجانهاي آب شيرين، دياتومه، جلبكها، حشرات و قارچ ها.
كيتين و كيتوسان تعدادي خواص بيولوژيك مفيدي مانند زيست سازگاري بالا و قابليت زيست تخريب پذيري در كاربرد هايي نظير : پوشش زخم ها، عامل‌هاي انعقاد خون، عامل‌هاي ضد عفونت و عامل‌هاي تسريع در ترميم زخم دارند.
در اين تحقيق اثر كيتين و كيتوسان روي ترميم زخم بررسي شده و اين نتيجه حاصل شده است، كه اين مواد سيستم‌هاي ترميم و سلول‌هاي (PMN) Polymorphonuclear و فيبروبلاست‌ها و سلول‌هاي اندوتليال رگ‌ها را فعال مي‌كنند.
وقتي كيتين و كيتوسان در بدن استفاده مي‌شوند، توسط آنزيم‌هاي كيتيناز و كيتوساناز تخريب مي‌شوند و متعاقبا به منومر و اليگومرهايشان تبديل مي‌شوند. در تحقيقات گذشته ثابت شده كه نه تنها كيتين و كيتوسان بلكه اليگومرها و منومرهاي آنها نيز روي مهاجرت سلول‌هاي اندوتليال و فيبروبلاست‌ها اثر داشته و بر روي ترميم زخم‌ها در محيط in-vivo موثرند. هر چند كه رابطة بين خواص شيميايي كيتين/كيتوسان و ترميم زخم هنوز شناخته نشده است. در تحقيق حاضر كيتين و كيتوسان با وزن‌هاي مولكولي و DD‌هاي مختلف آماده شده اند و اثر آنها روي ترميم زخم‌هاي برشي ايجاد شده در موشها آزمايش شده، و همچنين استحكام زخم ترميم شده و ميزان آنزيم كلاژناز در بافت هم اندازه گيري شده است، كه اين دو به عنوان شاخصي براي ترميم زخم هستند.

منبع : http://www.iranbmemag.com/fa/issue/page.asp?eid=72&id=326&cid=1251

 كلمه ليزرخلاصه شده عبارت ‏Light Amplification by   Stimulated   Emission of Radiation‏   به معني تقويت نور به‌ وسيله گسيل تحريكي تابش است. در 16 مه 1960 دكترتئودورمايمن ‏‎    Theodor Maimen)‎‏) اولين ليزر را در آزمايشگاههاي شركت هوايي هيوز در كاليفرنياي آمريكا با موفقيت به كار انداخت. در اين آزمايش ميله‌اي از ياقوت مصنوعي در درون لامپ درخش مارپيچي قرار گرفته بود و دو انتهاي تخت ياقوت به دقت صيقلي و با نقره پوشش داده شده بود. ظهور ناگهاني نور قرمز ليزر كه روشنتر از نور خورشيد بود، از انتهاي ياقوت بيرون جست و به اين طريق انرژي مهار شده وليزر اختراع شده بود. اولين ليزر گازي در سال 1961 توسط پروفسور علي جوان و همكارانش در آزمايشگاه بل ساخته شد كه در آن از مخلوط گازهاي هليوم ونئون به عنوان محيط ليزري، استفاده شده بود. در همان آزمايشگاه اولين ليزر نئودميوم ( ‏neodmium‏)  توسط جانسون و همكارانش ساخته شد. ليزر نيمه رسانا نيز براي اولين بار در سال 1962 توسط هال در آزمايشگاه تحقيقات الكتريكي عمومي طراحي و پياده‌سازي شد. همزمان با آن، تحقيقات گسترده‌اي براي ساخت ليزر اگزايمر در سال 1975 توسط اوينگ ( ‏Ewing‏) انجام شده است. سرانجام در سال 1985 مهمترين نوع ليزر، ليزر اشعه ايكس، توسط ماتئوس (‏Matteus‏) و همكارانش در ليورمور ساخته شد. ‏

خواص  نور ليزر و كاربرد‌هاي آن
‏ از نخستين روزهاي ساخت ليزر پي برده شد كه نور ليزر خواص مشخصه‌اي دارد كه آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع، متمايز مي‌كند. در ابتدا به اين ويژگي‌ها و نحوه ايجاد آنها توسط ليزر اشاره خواهيم كرد. ليزر داراي سه ويژگي مهم است:
تك‌فامي
‏     در توضيح اين ويژگي لازم است ابتدا با مفهوم گسيل القايي ( نشر القايي)آشنا شويم. گسيل پرتو توسط الكترونهاي برانگيخته در داخل اتم به دو صورت است :1 ) گسيل خود به‌خودي  2) گسيل القايي
فرض كنيد ‏‎1 ‎‏ ‏e‏ و ‏e2‎‏   دو تراز متوالي از يك اتم با انرژي‌هاي  ‏‎1‎‏ ‏E‏  و‏‎2‎‏ ‏E‏   باشد و الكتروني در تراز         ‏‎ e1 ‎در حالت پايه خود قرار گرفته باشد. اگر به هر دليلي اين الكترون از‎ ‎تراز ‏‎1‎‏ ‏e‏   به تراز بالاتر ‏‎2‎‏ ‏e‏ برود گفته ميشود اتم تحريك شده است يا در حالت برانگيخته قرار دارد. چون اين حالت يك حالت‏‎ ‎‏ ناپايدار است اتم تمايل دارد هرچه زودتر به حالت پايدار باز گردد. به همين دليل الكترون مزبور بلافاصله به حالت  قبلي در تراز‏‎1‎‏ ‏e‏  بر خواهد گشت. از طرفي چون اين دو تراز اختلاف انرژي  ‏‎1‎‏ ‏E‏ ‏E 2-‎‏ دارد بنا بر اصل پايستگي انرژي، انرژي اضافي الكترون به صورت تابش با فركانس ‏V،  حين بازگشت به تراز اول گسيل مي‌شود. به اين فرآيند گسيل خودبه‌خودي گويند. حال اگر الكتروني در تراز‏‎2‎‏ ‏e‏  در حالت پايه خود قرار داشته باشد و ما به طريقي اتم را تحريك كنيم ( ميدان الكترومغناطيسي، تابش، حرارت و... ) در اثر اين القا الكترون مزبور تراز ‏‎2‎‏ ‏E‏  را ترك نموده وبه تراز ‏‎ E1‎برود و حين اين انتقال ( بنا به اصل پايستگي انرژي ) تابش گسيل كند به اين تابش گسيل القايي يا نشر القايي گويند. ‏
‏     هر كدام از اين فرآيندها ويژگي‌هاي خاص خود را دارد. در گسيل خودبه‌خودي تابش‌هاي گسيل شده به صورت كاتوره‌اي و در تمام جهات گسترده است. اما در گسيل القايي جهت تابش در يك راستاي معين خواهد بود. از طرفي در گسيل خودبخودي فوتونهاي تابشي  در اثر گزار بين اتمهاي ترازهاي اتمي يا مولكولي مختلف و متفاوت از هم به وجود مي‌آيند پس اين تابش‌ها طيف گسترده‌اي از فركانس‌ها را شامل مي‌شود.

آنقدر نوازش برايمان عادي شده است كه به معجزه لمس بي‌توجه شده‌ايم. سرانگشتان آسماني مادر است كه موسيقي لطيف روح كودك را مي‌نوازد، لمس نبض بيمار توسط پزشك، دنياي از آرامش به دنبال دارد. حتماً در فيلم‌ها و داستان‌هاي علمي و تخيلي، ربات‌هايي را ديده‌ايد كه احساساتي هستند و از وقايع اطراف تأثير پذيرفته‌، ناراحت يا خوشحال مي‌شوند. چيزي به تحقق اين رويا باقي نمانده است. نويسنده اين سناريوي واقعي، كسي نيست جز دكتر «سيامك نجاريان»وي فارغ‌التحصيل مهندسي شيمي از دانشگاه نفت آبادان است. دوره فوق ليسانس را در همان رشته در دانشكدة فني دانشگاه تهران و دوره دكتري و فوق دكتري مهندسي پزشكي را در دانشگاه آكسفورد انگلستان گذرانده است. به بهانه اول شدن طرح وي در بخش اختراعات جشنواره علوم پزشكي رازي به سراغ دكتر نجاريان رفتيم تا از حس آشنا و مرموز لمس بيشتر بدانيم.

آقاي دكتر! براي شروع شايد بد نباشد از سوابق علمي و  پژوهشي خود بگوييد.
 موضوعاتي كه من بر روي آنها كار مي‌كنم، شامل مدلسازي سيستم‌هاي بيولوژيك، تحليل مكانيسم مايعات زيستي، جراحي با حداقل آسيب، جراحي رباتيك و حس لمس مصنوعي مي‌شود. البته حوزه اصلي فعاليت من هم اكنون حس لامسه مصنوعي يا Tactile Sensing Artificial است. تحقيقات در اين زمينه در سطح دنيا بسيار محدود است و افراد انگشت‌شماري بر روي آن كار مي‌كنند. قسمت عمده مقالاتي كه توسط اينجانب منتشر شده است، در زمينه حس لامسه مصنوعي است. آزمايشگاهي نيز تحت عنوان حس لامسه مصنوعي و جراحي رباتيك در دانشگاه صنعتي اميركبير به مسؤوليت اينجانب راه‌اندازي شده است كه البته آزمايشگاه همنامي نيز در كانادا وجود دارد كه به طور همزمان با آن مركز هم همكاري دارم.

هم اكنون شما مسؤوليت رياست دانشكده مهندسي پزشكي را بر عهده داريد، در مورد سوابق تدريس و اجرايي خود در دانشگاه به خوانندگان ما بگوييد.
حدود 12سال پيش پس از اتمام دوره فوق دكتري به ايران بازگشتم، در آن زمان دانشكده مهندسي پزشكي دانشگاه اميركبير، دانشكده نوپايي بود. من عضو گروه بيومكانيك بودم و فعاليت آموزشي‌ام را درزمينه اعضا و اندام‌هاي مصنوعي (Artificial Organs and Limbs) آغاز كردم. اينجانب سمت‌هاي گوناگوني
 در دانشكده داشته‌ام از جمله: مديرگروه‌ بيومكانيك،‌ مدير گروه بيومتريال، معاونت‌‌مالي-اداري دانشكده و... ضمناً از اسفندماه 85، رياست‌دانشكده‌ مهندسي‌پزشكي اين دانشگاه به عهده اينجانب بوده است. همزمان با ايران، دانشجويان زيادي در خارج از ايران داشتم كه بعضي فارغ‌‌التحصيل و تعدادي هنوز در حال انجام پروژه‌هاي خود هستند.